Приближенные покинули царя, и Александр прилег отдохнуть в своей палатке; говорят, он так крепко проспал остаток ночи, что, против обыкновения, не проснулся на рассвете. Удивленные этим полководцы сами отдали первый приказ воинам — приступить к завтраку. Время не позволяло медлить долее, и Парменион, войдя в палатку и встав рядом с ложем Александра, два или три раза окликнул его. Когда Александр проснулся, Парменион спросил, почему он спит сном победителя, хотя впереди у него величайшее сражение. Александр, улыбнувшись, сказал: „А что? Разве ты не считаешь, что мы уже одержали победу, хотя бы потому, что не должны более бродить по этой огромной и пустынной стране, преследуя уклоняющегося от битвы Дария?“».
Утром войска Александра, как и при Иссе, наступали эшелонами, начиная справа, где его прикрытые легкой пехотой «товарищи» были готовы нанести сокрушительный удар. Дальше с главной фалангой в центре шли гипасписты. Левый фланг был скомпонован из греческой и фессалийской конницы под командованием Пармениона.
Позади каждого фланга македонской линии двигались колонны легкой пехоты и кавалерии, готовые защитить фланг от обходного маневра длинной персидской линии. Позади центра, прикрывая лагерь, располагалась тонкая фаланга фессалийской пехоты. Эти колонны легкой пехоты, кавалерии и тонкая фаланга фессалийской пехоты представляли своеобразный резерв, готовый поддержать и защитить наступавшие силы.
Сражение началось схваткой конницы противников на обоих флангах. Александр на своем правом фланге сдержал и расстроил ряды вражеских всадников силами легкой конницы и легкой пехоты. И только после этого повел отборную конницу в брешь, образовавшуюся на левом фланге противника. Македонское наступление косо сдвигалось на свою правую сторону, неуклюжее персидское воинство старалось, соответственно, сдвинуться на свою левую, и это перемещение создало несколько разрывов в персидской линии. Пока Александр вел своих «товарищей» в атаку, персидские крылья двинулись для окружения македонских флангов, но были встречены и отражены македонскими фланговыми резервными колоннами. Заметив разрыв слева от центра персидской линии, Александр направил атаку туда. Создав гигантский клин из кавалерии и гипаспистов, он прорвал строй противника. Оказавшийся на пути этой бешеной атаки Дарий бежал. Среди воинов персидского центра и левого крыла вспыхнула паника, они рассыпались и отступили. Однако сам Александр был вынужден повернуть назад, чтобы исправить дела на собственном левом фланге, который отступил, будучи атакован крупными силами персидской кавалерии. Бросок Александра в тыл атакующих персов устранил угрозу, одновременно закончив сражение. Теперь Александр бросил всю свою армию на преследование отступающего врага, окончательно рассеивая побежденных. Македонцы потеряли убитыми 500 человек (и, вероятно, около 3 тысяч ранеными). Персидские потери составили около от 30 до 50 тысяч убитых.
Македонская конница преследовала разбитого противника и к утру следующего дня заняла Арбелы. Авангард македонской армии оказался в 75 километрах от места сражения уже в день, когда оно произошло. Персидская армия потерпела окончательное поражение. Дорога на Вавилон была открыта, город не оказал сопротивления. Персеполь — главная столица Персии — был отдан на разграбление.